[发明专利]一种金属掺杂纳米TiO2/海泡石复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于降解污染物的金属掺杂纳米TiO₂/海泡石复合光催化材料及制备方法，属于矿物材料加工与应用领域。

背景技术

光催化技术作为一种高级氧化技术，在污水处理、空气净化等领域有广阔的应用前景。光催化材料在光照情况下，受激发产生自由基，将吸附于其表面的污染物催化氧化，最终矿化降解为二氧化碳、水等产物。在众多光催化剂中，TiO₂因具有良好的化学稳定性、强氧化性、无毒和低成本等特点，成为目前研究最广泛的光催化材料。但是，在实际制备及应用过程中，由于纳米TiO₂颗粒比表面积大，表面自由能高，极易团聚成二次颗粒，使其光催化活性降低。为了克服以上缺点，人们提出将纳米TiO₂固定于一定载体之上。

目前，以海泡石为载体负载纳米TiO₂颗粒已有一些研究。在这些研究中最常用的方法是溶胶-凝胶法，见以下参考文献：(1)发明专利“海泡石/纳米TiO₂复合材料的合成方法”，申请号CN201310459169.9，申请人四川嘉宝莉涂料有限公司；(2)谢治民,等.TiO₂/海泡石催化剂的制备及其对印染废水的处理.环境科学与技术,2009,32(5):123-127。在溶胶凝胶法中使用的钛酸四丁酯等钛醇盐具有刺激性气味，且制备过程需要乙醇等大量有机溶剂，制备方法不易实现工业化。此外，四氯化钛水解法也是广泛使用的制备方法，见参考文献：(1)发明专利“纳米TiO₂/海泡石复合材料的制备方法及其用途”，申请号CN201410063295.7，申请人张吉鹏；(2)贺洋,等.纳米TiO₂/海泡石复合粉体的制备及光催化性能研究.非金属矿,2010,33(1):67-69。在这种方法中所用的四氯化钛水解过程不易控制，工业生产中对设备腐蚀严重，制备工艺流程复杂。

TiO₂的禁带宽度决定了其只能吸收紫外光，在可见光区域没有明显的吸收。此外，TiO₂光生电子-空穴复合率较高，量子效率较低。近年来，研究者们通过多种方法(贵金属沉积、元素掺杂、染料敏化等)对TiO₂进行修饰改性，拓宽TiO₂的可见光响应区域，使其光生电子-空穴对能够有效分离，从而提高其光量子效率。通过金属元素掺杂制备的TiO₂既能有效扩展材料的光响应范围，又能促进二者空穴-电子对的有效分离。目前，已有诸多关于金属掺杂TiO₂的制备研究，见以下参考文献：(1)发明专利“钒-氮共掺杂TiO₂光催化剂的制备方法”，申请号CN201110146031.4，申请人甘肃省科学院自然能源研究所；(2)王淑勤,等.掺钒TiO₂可见光催化氧化SO₂的动力学和机理.太阳能学报,2015,36(11):2690-2697。这些文献都是关于纯TiO₂的制备，未解决催化剂易团聚、回收难的问题。

本发明针对目前纳米TiO₂催化剂存在的不足，提出了一种具有可见光响应的纳米TiO₂/海泡石复合材料及制备方法。海泡石是一种纤维状富镁含水硅酸盐轻质黏土矿物，主要化学成分为SiO₂和MgO。海泡石独特的晶体结构使其具有比表面积高、吸附能力强等特点，广泛应用于建材、化工、环保等领域。将具有可见光响应的纳米TiO₂负载于海泡石上，既能有效提高催化剂分散性能与可回收性，降低使用成本，又可以利用载体对污染物良好的吸附捕捉性能，提高材料光催化效率。因此，这种复合光催化剂具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的技术方案是，以海泡石为载体，采用溶剂蒸发-煅烧晶化法，制备出一种具有可见光响应的金属掺杂纳米TiO₂/海泡石复合光催化材料。

本发明制备的纳米TiO₂/海泡石复合光催化材料，海泡石表面负载了钒(V)、铈(Ce)或铋(Bi)掺杂锐钛型TiO₂，催化剂禁带宽度为2.7～3.0eV，纳米TiO₂质量为海泡石质量的10％～60％。

其制备方法及工艺步骤如下：